建筑能耗預測分析輔助工業庫區分布式光伏發電系統設計方法研究

中國建筑設計咨詢公司 ■ 李雅昕 黃鵬洲 郝軍 曾巍 李新中 翁思娟

0 引言

隨著我國對太陽能利用的重視，不論是集中式光伏電站還是分布式光伏發電，均有了較多的技術研究以及工程應用。目前對于分布式光伏發電的研究，重點在于評估其可靠性[1]以及對配電網的影響[2]兩方面。對于分布式光伏發電系統與建筑用電負荷需求之間的研究相對較少，文獻[3]雖對光伏發電與冷熱源耦合系統進行了探討，但主要是對光伏發電系統與冷熱源系統直接耦合的研究，并未考慮全年光伏發電系統的產能情況。

隨著我國建筑節能工作的迅猛開展，目前對于建筑能耗分析已相對成熟，國內已對國際通行的多款模擬計算軟件進行了深入研究，并已開發出我國的建筑能耗模擬分析軟件，將建筑能耗模擬分析預測結果與光伏發電系統設計相結合，為分布式光伏發電的工程應用提供新的研究方向。

本文以工業生產企業庫房項目為例，介紹了一種新的分布式光伏發電系統設計思路，即基于項目的逐時能耗模擬分析數據，對光伏發電系統配置容量進行方案比對，從而得出最優化系統方案。

1 庫區建筑用能特點

該工業生產企業庫區主要為以工業生產原料庫為主的倉儲區。倉儲區包括工業生產原料庫、集中檢測用房以及為庫區提供服務的設備用房、叉車管理間等建筑。工業生產原料庫是倉儲區的主體建筑群。

該工業生產原料庫用能主要為空調用電、風機用電、夜間照明用電等，其中空調用電占主要比重。工業生產原料庫的主要功能是保證一定室內溫濕度儲存生產材料，室內人員活動很少，全年的能源消耗量遠小于生產工房。

2 光伏發電系統應用分析

光伏發電系統的設計，需從兩方面予以考慮：一方面是需求側，即項目實際所需的用電負荷；另一方面是產能側，即分布式光伏發電系統實際的產電量，最理想的狀態是兩者之間達到供需平衡。

然而，由于太陽能資源的不穩定性，兩者之間的關系此消彼長，并不一致。且受目前光伏發電系統的發電效率所限，多數情況下，需求側的用電量遠高于產能側的發電量。

對于該工業生產企業庫區來說，由于建筑自身用電需求并不高，而庫區建筑多為低層或多層建筑，可布置光伏板面積相對富足，因此，若按照常規設計方法大面積布置光伏板，必將帶來光伏系統的浪費。因此，如何確定合理的光伏發電系統規模，是生產企業庫區利用分布式光伏發電系統的重點。

該工業生產企業庫區建筑全年用電情況與氣象條件、運行時間、運行規律等密切相關；全年光伏系統發電情況也與全年太陽能輻射情況密切有關。

為了深入分析光伏發電系統容量的優化配置，進行全年8760 h逐時發電、用電匹配分析，從而確定更為合理的光伏發電系統容量。

考慮到蓄電池污染高、維護成本高等問題，項目不設置蓄電池，因此，光伏發電的利用主要為日間用電。工業生產原料庫的日間用電主要為通風系統、空調系統用電，排風風機用電量較小，作為安全裕量，不計算此部分能耗。

通風系統能耗低于空調系統能耗，但峰值時刻仍需開啟空調系統。根據項目機械通風節能量模擬分析結果，本項目采用機械通風進行室內參數控制的全年小時數約為300 h，所占比例很小。為簡化計算，光伏發電系統的匹配分析僅用空調系統能耗進行分析。

空調系統能耗與全年氣象條件密切相關，本項目全年逐時室外溫度及含濕量曲線如圖1和圖2所示。項目全年8760 h逐時能耗如圖3所示。對光伏發電系統產能分析采用廈門地區太陽能輻射數據(來源中國建筑熱環境分析專用氣象數據集)全年8760 h逐時數據，如圖4所示。

圖1 項目全年8760 h逐時室外干球溫度

圖2 項目全年8760 h逐時室外含濕量

圖3 項目全年8760 h逐時能耗分析結果

圖4 項目全年8760 h逐時太陽能輻射量

3 光伏發電系統方案對比分析

根據項目建筑情況，共10個工業生產原料庫可安裝太陽能光伏發電系統，可布置太陽能光伏板面積為8000 m2，太陽能光伏發電系統最大裝機容量為1200 kWp。

為了確定合理的光伏發電系統容量，分別分析100%、75%、50%和25%容量設置光伏板4種裝機容量的全年發電量與用電量的逐時情況。

光伏發電系統安裝容量按照最大裝機容量的100%、75%、50%、25%這4種布置方案進行對比，全年逐時多余電量分布如圖5所示。

圖5 不同容量布置光伏板全年逐時多余電量分布圖

由于該項目光伏發電系統不含有儲能設備，因此當出現發電量大于用電量的情況時，所發多余電能將通過光伏組件自帶保護卸荷裝置通入大地。在方案優化分析中，關鍵點是使項目光伏系統所發電能盡量多的被用能系統使用，減少浪費。

表1 四種方案對比匯總

根據表1可知，隨著光伏板布置面積的加大，可用電量占發電量的比例逐漸降低，由72.38%降低到45.64%，這是由于項目自身用電需求較低，且空調用電占較大比重，季節性影響也會導致供需不平衡，全年多余電量增多，造成了一定程度的浪費。綜合考慮項目投資等經濟性等因素，最終確定25%布置方案為項目最優方案。

4 光伏發電系統布置方案

本項目庫區建筑屋頂為矩形平屋頂，采用混凝土結構，主入口朝向為南向。

光伏發電系統25%布置方案中，光伏板有效發電面積為2100 m2，可平均布置在3個生產原料庫屋頂上方，各布置700 m2，光伏板安裝容量300 kWp；為降低供電損耗，光伏板安裝及接入點盡量接近負荷中心，分別就近接入對應配電柜內。光伏發電系統布置安裝示意圖如圖6所示。

圖6 光伏發電系統布置安裝示意圖

5 結論

1)通過對工業生產企業庫區建筑用能特點的預測分析，確定了一種新的分布式光伏發電系統方案設計方法，即通過全年8760 h逐時用電量、發電量預測分析，進行方案優化設計。

2)以廈門某工業生產企業庫區項目為例，進行了全年8760 h逐時用電、發電匹配分析，通過100%、75%、50%、25%布置光電板4種方案的比對，從全年可用發電量占總發電量的比例、全年可用發電量占總用電量的比例、投資等方面綜合考慮，確定項目采用25%布置光電板的方案為最優設計方案。

3)光伏板有效發電面積為2100 m2，可平均布置在3個生產原料庫屋頂上方，各布置700 m2，光伏板安裝容量300 kWp；為降低供電損耗，光伏板安裝及接入點盡量接近負荷中心，分別就近接入對應配電柜內。

[1]王震, 魯宗相, 段曉波, 等. 分布式光伏發電系統的可靠性模型及指標體系[J]. 電力系統自動化, 2011, 35(15): 18-24.

[2]于磊, 許麗麗, 周鑫, 等. 分布式光伏發電對配電網的影響及對策[J]. 華北電力技術, 2013, 10: 13-17.

[3]王晨光, 龔光彩, 蘇歡, 等. 分布式光伏發電與冷熱源耦合系統探討[J]. 節能技術, 2012, 2(30): 145-150.